Digestibilidad in vitro y propiedades fisicoquímicas del almidón de mandioca modificado por la combinación de tratamientos hidrotérmicos y químicos

Abstract

El almidón de mandioca nativo (AN) es el derivado más explotado de las raíces de mandioca cultivadas en la provincia de Misiones, principal productora en la Argentina. Éste y otros almidones de distintos orígenes botánicos, se emplean en la elaboración de alimentos y de diversos productos. Los almidones nativos presentan una utilidad restringida en la industria, debido a que ciertas condiciones de los procesos tecnológicos les causan efectos negativos, como por ejemplo: descomposición térmica, retrogradación y sinéresis, entre otros. La adaptación de los almidones a funciones específicas se realiza alterando sus características físicas y químicas, lo cual amplía su rango de aplicación industrial y les aporta mayor valor agregado. La digestibilidad de los almidones también puede ser afectada mediante tratamientos físicos o químicos, obteniendo los llamados almidones resistentes (AR). Los AR resultan de importancia por presentar efectos beneficiosos para la salud por formar parte de la fibra dietaria y por tener buenas propiedades funcionales. El objetivo principal del presente trabajo fue evaluar el efecto del empleo combinado de tratamientos hidrotérmicos: templado “annealing” (ANN), calor y humedad “heat moisture treatment” (HMT) o presión osmótica “osmotic pressure treatment” (OPT) con tratamientos químicos: enlaces cruzados (EC) con epiclorhidrina (EPI) o con trimetafosfato de sodio/tripolifosfato de sodio (TMFS/TPFS o T/T ), en la formación de AR de grado alimenticio, a partir del AN producido en la provincia de Misiones (Argentina). El objetivo secundario fue evaluar las propiedades fisicoquímicas del almidón modificado con mayor contenido de AR con la finalidad de predecir su potencial uso como ingrediente en alimentos. Se modificó almidón comercial de mandioca nativo (Manihot esculenta Crantz) producido en la provincia de Misiones por los tratamientos hidrotérmicos (ANN, HMT y OPT) y químicos (EC EPI y EC T/T) y por sus combinaciones. El ANN se realizó manteniendo una suspensión de almidón (30 %, p/v) a 45 ºC y 50 ºC por 24 h y 48 h. El HMT se efectuó con una humedad de 20 % a 90 ºC y 105 ºC por 60 min, 120 min, 5 h y 10 h. Para la modificación por el OPT se mantuvo, una suspensión de almidón (50 %, p/v en solución saturada de sulfato de sodio), a 90 ºC, 105 ºC, 110 ºC y 115 ºC por 60 min y 120 min. El EC EPI se realizó a pH 11,0 y 30 ºC con concentraciones de EPI de 0,15 % y 0,30 % (p/v) durante 4 h, 8 h, 12 h y 24 h. Para la modificación por EC T/T se trató una suspensión de almidón (33,96-41,04 %, p/p) con una mezcla de TMFS/TPFS (99:1, p/p) en el rango de concentración de 7,17-15 % (p/p) durante 3 h a 45 ºC y pH 11,0. Se cuantificó el contenido de AR por el método de fibra dietaria total (FDT) (Método 985.29 de la Association of Official Analytical Chemists, AOAC) en los almidones modificados por los tratamientos individuales hidrotérmicos y químicos y en los almidones modificados por la combinación de los tratamientos hidrotérmico-químico y viceversa. En los almidones modificados por EC T/T se determinó el contenido de fósforo por el método colorimétrico de la AOAC 995.11. Esto se realizó con el objeto de comprobar que el contenido de fósforo no excediera el límite máximo permitido por el Código Alimentario Argentino de 0,4 % para un almidón modificado de grado alimenticio. Las propiedades fisicoquímicas evaluadas en el almidón modificado con mayor contenido de FDT fueron: pH, acidez titulable, distribución del tamaño de los gránulos utilizando un microscopio óptico equipado con retícula de ocular, poder de hinchamiento, % de solubilidad, índice de absorción de agua, claridad y estabilidad de las pastas, propiedades de las pastas y grado de enlaces cruzados empleando un viscoamilógrafo Brabender, propiedades térmicas por calorimetría diferencial de barrido y comportamiento reológico dinámico mediante un reómetro de tensión controlada con geometría de cono-plato. Se observó que en las condiciones estudiadas, ni los tratamientos hidrotérmicos (ANN, HMT y OPT) ni el tratamiento químico de EC EPI y sus combinaciones condujeron a una reducción importante de la digestibilidad in vitro del almidón de mandioca modificado, mientras que el tratamiento químico de EC T/T permitió la obtención de almidón modificado de grado alimenticio con un elevado contenido de FDT en ciertas combinaciones de concentración de reactivo/almidón. Se detectó un incremento de FDT con el aumento de la concentración de reactivo y de almidón. Las combinaciones de los tratamientos hidrotérmicos ANN u OPT con el tratamiento de EC T/T, independientemente del orden de aplicación, no favorecieron la formación FDT. Los almidones modificados por estas combinaciones presentaron mayor digestibilidad in vitro que el almidón modificado por el tratamiento químico. Se observó que determinadas combinaciones del tratamiento hidrotérmico de HMT con el tratamiento químico de EC T/T (secuencia hidrotérmico-químico) causaron un efecto sinérgico en la formación de FDT produciendo cambios importantes en las propiedades fisicoquímicas. El tratamiento que resultó más efectivo para incrementar el contenido de FDT correspondió a la combinación del tratamiento HMT realizado a 105 °C por 5 h con el tratamiento de EC T/T empleando una concentración de reactivo de 15 % y una concentración de almidón de 41,04 %. Este tratamiento permitió la obtención de un almidón modificado de grado alimenticio con un contenido de FDT de 39,4 %. El almidón modificado por el tratamiento más efectivo para incrementar el contenido de FDT presenta: pH y acidez titulable aceptables, mayor tamaño medio del gránulo a 25 °C en comparación con el AN, elevada estabilidad térmica, bajo poder de hinchamiento, baja solubilidad y bajo índice de absorción de agua. Además, conduce a la obtención de pastas con menor claridad y mayor estabilidad durante el almacenamiento, mayor temperatura de empastamiento y gelatinización, baja viscosidad, ausencia de retrogradación y presenta un comportamiento reológico más similar a un sólido con estructura de gel más débil que el AN. Dicha combinación dual de los tratamientos HMT-EC T/T se presenta como una innovadora alternativa para reducir la digestibilidad in vitro del AN. El almidón modificado por este tratamiento podría ser utilizado con el objeto de incrementar la cantidad de FDT, en alimentos sometidos a tratamientos térmicos en los cuales no se desea un aumento o cambio en la viscosidad por el uso de altas temperaturas. No sería apropiado para el empleo como espesante de un alimento debido a su escaso hinchamiento y viscosidad. La utilización de los almidones obtenidos en alimentos tendería a satisfacer la demanda por los llamados alimentos funcionales. El desarrollo e implementación de esta metodología contribuiría positivamente con el sector industrial dedicado a la producción de almidones de mandioca en la provincia de Misiones, mediante la incorporación de mayor valor agregado y al mejoramiento de la competitividad en el mercado nacional e internacional.

Native cassava starch (NS) is the most exploited derivative from cassava roots cultivated in Misiones province, the main producer in Argentina. This and other starches from different botanical origins are used in food processing and various products. Native starches show a limited industry utility due to the negative effects (i. e. thermal decomposition, retrogradation, syneresis, among others) developed under certain process conditions. The adaptation of starches to specific functions is made by modifying their physical and chemical characteristics, expanding their range of industrial application and gives them greater added value. Digestibility of starches can be modified by physical or chemical treatments obtaining the so-called resistant starches (RS). RS are important for presenting beneficial health effects, for being part of the dietary fiber and for having good functional properties. The main objective of this work was to evaluate the effect on the formation of food-grade RS of the convenient combination of hydrothermal treatments such as annealing (ANN), heat moisture treatment (HMT) or osmotic pressure treatment (OPT) with chemicals treatments: cross-linking (CL) with epichlorohydrin (ECH) or sodium trimetaphosphate/sodium tripolyphosphate (STMP/STPP or T/T) by using native cassava starch from Misiones (Argentina). The secondary objective was to evaluate the physicochemical properties of modified starch with higher RS content in order to verify its potential use as an ingredient in food. Commercial native cassava starch (Manihot esculenta Crantz) from Misiones was modified by hydrothermal (ANN, HMT and OPT) and chemical (CL ECH and CL T/T) treatments and its combinations. ANN was carried out maintaining a starch suspension (30 %, w/v) at 45 ºC and 50 ºC for 24 h and 48 h. HMT was carried out with 20 % of humidity at 90 ºC and 105 ºC for 60 min, 120 min, 5 h and 10 h. For the OPT modification, a starch suspension (50 %, w/v in sodium sulfate saturated solution) was maintained at 90 ºC, 105 ºC, 110 ºC and 115 ºC for 60 min and 120 min. CL ECH was carried out at pH 11.0 and 30 ºC with ECH concentrations of 0.15 % and 0.30 % (w/v) for 4 h, 8 h, 12 h and 24 h. For the modification by CL T/T a starch suspension (33.96-41.04 %, w/w) was treated with a mixture of STMP/STPP (99:1 w/w) in the concentration range of 7.17-15 % (w/w) for 3 h at 45 ºC and pH 11.0. The RS content was quantified with the total dietary fiber (TDF) Association of Official Analytical Chemists (AOAC) method 985.29 on the starches modified by hydrothermal, chemical, combination of hydrothermal-chemical and chemical-hydrothermal treatments. The phosphorus content was determined with the colorimetric AOAC method 995.11 on the starches modified by CL T/T in order to verify that the phosphorus content did not exceed the maximum limit allowed by the Código Alimentario Argentino of 0.4 % for a modified food grade starch. The physicochemical properties evaluated in the modified starch with higher content of TDF were: pH, titrable acidity, distribution of the size of the granules using an optical microscope equipped with eyepiece reticle, swelling power, % of solubility, index of water absorption, clarity and stability of pasta, properties of pasta and degree of cross-linking using a Brabender viscoamylograph, thermal properties by differential scanning calorimetry and rheological dynamic behavior by means of a controlled tension rheometer with cone-plate geometry. It was observed that under the conditions studied, neither the hydrothermal treatments (ANN, HMT and OPT) nor the chemical treatment of CL EPI and its combinations led to a significant reduction in the in vitro digestibility of modified cassava starch, whereas the chemical treatment of CL T/T allowed to obtaining food grade modified starch with a high content of TDF in certain concentration combinations of reagent/starch. It was detected an increase in TDF with the concentration increase of reagent and starch. The combinations of the hydrothermal treatments ANN or OPT with the treatment of CL T/T, regardless of the order of application, did not favor TDF formation. The starches modified by these combinations showed greater in vitro digestibility than the starch modified by the chemical treatment. It was observed that certain combinations of hydrothermal treatment of HMT with the chemical treatment of CL T/T (hydrothermal-chemical sequence) caused a synergistic effect in the formation of TDF producing significant changes on the physicochemical properties. The most effective treatment to increase the TDF was the combination of the HMT treatment performed at 105 °C for 5 h with the CL T/T treatment using a reagent concentration of 15 % and a starch concentration of 41.04 %. This treatment allowed to obtaining food grade modified starch with 39.4 % of TFD. The modified starch by the most effective treatment to increase the content of FDT have: acceptable pH and titrable acidity, greater granule size average at 25 °C compared with NS, high thermal stability, low swelling power, low solubility and low water absorption rate. In addition, it leads to obtaining pastes with less clarity and greater stability during storage, higher pasting and gelatinization temperature, low viscosity, absence of retrogradation and it presents a rheological behavior more similar to a solid with weaker gel structure than NS. This dual combination of treatments HMT-CL T/T it exposed as an innovative alternative to reduce the in vitro digestibility of native cassava starch. The starch modified by this treatment could be used in order to increase the amount of FDT in heat-treated foods where no increase or change in viscosity is desired by the use of high temperatures. It would not be appropriate to be used as a thickener of a food because of its low swelling and viscosity. The use of starches obtained in foodstuffs would tend to satisfy the demand for so-called functional foods. The development and implementation of this methodology would positively contribute to the industrial sector dedicated to cassava starches production from Misiones by means of the incorporation of greater added value and to the improvement of the competitiveness in the national and international markets.